2023-08-18 京都大学
心臓は効率よく血流を駆出するために、心臓内に様々な回転する流れ(=渦血流)を発生させることが知られています。例えば500年以上前にレオナルド・ダ・ヴィンチが想像で描いた心臓内部の絵画にも渦血流が描かれており、人体の神秘として人類の興味を引いてきました。近年では心エコーや心臓MRIなどの診断機器の進歩により、このような渦血流が本当に心臓内に発生しているということが画像で確認できるようになり、さらに、心疾患ではその渦のパターンが乱れることなどが解明され、この渦血流をこれらの計測データから拾い出すことが心疾患の状況を把握するのに有効と考えられています。しかし、心臓は全体が筋肉でできたポンプであり、心臓自体が拍動で動きながら非常に複雑な血流を発生させるため、従来のデータ解析技術では、これらの渦血流を一つ一つ拾い出すことは難しいとされていました。
このたび、坂上貴之 理学研究科教授と板谷慶一 名古屋市立大学准教授は、科学技術振興機構(JST)未来社会創造事業「共通基盤」領域(運営統括:長我部信行)の支援を受けた共同研究により、トポロジー(位相幾何学)と力学理論を用いて、渦血流のパターンを正確に同定する新しい理論(流線トポロジー解析=Topological Flow Data Analysis(TFDA))を構築することに成功しました。
前述の通り、心臓はそれ自体が拍動して動くことに加え、弁などの心腔内構造物も拍動によって動くため、非常に複雑な流れが発生します。そこで坂上教授の研究グループが、これまでに独自に開発してきた「流線トポロジー解析」により、拍動する心筋壁など、心内腔に現れる流れを球面の上の流れにマッピングするという数学的な処理を行い、ダイナミックに運動する心臓の中でも渦血流を同定できるようにしました。この理論を使って、渦血流の一つ一つに文字を割り当て「解読」し、健常な心臓と極初期の心不全にも大きな違いがあることなどを発見しました。これにより、厳密な数学に基づいて、古来より神秘とされた心臓内の渦流の医学・生理学的なメカニズムを解明し、新しい心機能の分類が可能になります。さらに、この分類を用いて、心疾患の病態を定量的に示すことで、早期に心不全に対して、より良質の医療が実現できる可能性があると期待されています。
本研究成果は、2023年8月11日に、国際学術雑誌「SIAM Journal on Imaging Sciences」にオンライン掲載されました。
TFD解析で、心臓内の渦流を文字列として表現し、それに基づいて心機能の分類を与え、見通しの良い心疾患の医療の実現に役立てます(TFD解析のイメージ)
研究者のコメント
「坂上教授のグループが流線トポロジーの分類のための数学理論を完成させて7年が経ちます。『“かたち”を言葉に』を合言葉に、この技術の社会実装を目指して研究活動を続けています。特に『誰かが何かに応用する数理』ではなく『私達が数理の応用を展開する』という強い思いのもとで、研究を進めてきました。数学の理論ということで、これを応用する皆さんにはとっつきにくいところがあるため、こちらが提供できる解析手法を理解いただくためにいろいろ努力を積み重ねる必要があり、それが成果につながるまでには時間がとてもかかるのですが、今回初めて本格的に心臓血流解析手法として臨床の現場に使える可能性が高い成果を得ることができました。ここで可能性にとどまらず、数理ソフトウェアの開発、そして実際の心血流解析診断の機器への組み込みを通じてこの成果を実社会に広げていきたいと思っています。また板谷准教授らCardio Flow Design社の研究グループが心エコーVFMを開発してから10年の歳月が過ぎました。見たこともない渦流が心臓の中で見えるため当初は多くの臨床医が期待を寄せました。しかし、渦が見えることができても定量的に数値化することができず、この技術がどう使えるのか、ということが学会で何度も議論されてきました。一般には医療の現場では必ずしも理屈通りにならないことが多く、生命や人体の気まぐれのような現象と付き合いながら一人一人の患者さんと向き合っているため、従来の臨床医学は経験の蓄積を重んじてきました。今回心エコーが数学と出会い、それを医学の現実に合う形で新しい理論を構築することで臨床医学に全く新しい視点が拓けていくと確信しております。今後は臨床研究として実際に様々な疾患での渦血流のあり方を客観的に言語化して観察し、そのパターンの変化などを追跡することで新たな心機能アトラスや心機能分類を構築し、一人一人の患者さんに合った適切なテーラーメイド医療を提供する一助となればと考えています。」
詳しい研究内容について
心臓内の『渦血流』を同定する理論を世界に先駆けて構築―心血流の渦のパターンを文字化し、早期に心不全を発見する可能性―
研究者情報
研究者名:坂上 貴之
